太阳能的利用综述

1、 题目名称：_太阳能的利用综述_姓 名：_林初丰_班 级：_电气N111_学 号：_201145679226_日 期：_2014.12.02_太阳能的利用综述摘要：太阳能作为一种可再生的新能源日益引起世界的广泛关注。本文对太阳能利用方式及其原理，还有太阳能利用的发展史、现状及其前景进行了简要的分析。关键词：太阳能；热利用；光电转换；发展历史；现状；前景中图分类号：TM615 文献标识码：A Review of solar energy utilizationAbstract: solar energy as a new renewable energy is increasingly caus

2、e the attention of the world. In this paper, the way and principle of solar energy utilization, and the history of solar energy utilization, the present situation and its prospects are briefly analyzed.Key words: solar energy; Heat utilization; The photoelectric conversion; The development history;

3、The status quo；prospects0 引言太阳能是一种理想的可再生能源，它既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：已是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。4人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。1 太阳能利用方式的原理目前，太阳能的利用主要有光热和光电两种方式1.1太阳能的光电利用原理太

4、阳能光伏技术，即太阳能发电技术，其基本工作原理是：以太阳能电池板接收太阳光并产生电能（即发电），再将产生的电能储存在蓄电池里，到需要用电时再从蓄电池中取电。太阳能电池板（也叫光伏板或光伏组件）本身只能发电不能储存电能。它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电器而言，这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网。    现在比较成熟的光伏元件是硅元件，分为晶体硅和非晶体硅。晶体硅目前能规模生产的产品发电效率在 1317%，非晶体硅效率在710%左右。即1电池板在1kW太阳能量的照射下，分别产生

5、130170Wp和70100Wp的电能（电池板发电能力以Wp 来表示，读作“峰瓦”，表示电池板在标准条件下所产生的电力）。由于晶体硅比非晶体硅的发电效率高，所以目前市场上晶体硅太阳电池（包括单晶硅、多晶硅电池）占主导地位。  那么，晶体硅太阳电池是如何发电的呢？  单一太阳电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的、同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下（太阳光谱中波长小于1.1m的光线进入P-N结区附近），太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子，即电子和空穴。

6、由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，在电场的作用下，N区的空穴向着P区移动，而P区的电子则向着N区移动，最后在太阳电池的受光面上积累大量的负电荷（电子），而在它的背光面上积累大量的正电荷（空穴）。即在光照作用下太阳电池内部形成电流密度J、短路电流Isc、开路电压Uoc。此时如果在太阳电池的两个表面引出金属电极，并用导线接上负载，即形成由P-N结、连接电路和负载组成的回路，在负载上就有“光生电流”流过，实现对负载的功率输出。1.2太阳能的热电利用原理太阳能热发电是利用集热器将太阳能转换成热能并通过热力循环过程进行发电世界上现有太阳能热发电系统大致分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三类。1）

7、槽式系统 利用槽式聚光镜将太阳光反射到镜面焦点处的集热管上， 并将管内工质加热， 产生高温蒸汽， 驱动常规汽轮机发电 目前， 槽式太阳能发电是商业化进展最快的技术之一， 全球应用较广从1985年开始， 美国在加州Mojave沙漠上先后建成9个发电装置， 总容量354MW美国能源部2010年2月向美国Bright Source Energy公司提供13. 7亿美元贷款，2013年将全面启动在Mojave沙漠建设400MW太阳能发电系统Ivanpah。2） 塔式系统 利用一组独立跟踪太阳的定日镜， 将太阳光聚集到中心接受高塔上， 加热工质进而发电1996年美国第二座太阳塔SolarTwo的发电运行

8、， 加速了30200MW的塔式太阳能热发电系统的商业化进程以色列Weizmanm科学研究所对塔式系统进行改进后使系统总发电效率达25%28%。3）碟式系统 利用旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到焦点处放置的斯特林发电装置，其光学效率为三类系统中最高，启动损失小。美国热发电计划开发了25kW的碟式发电系统，适用于大规模的离网和并网应用， 并于1997年开始运行2010年中国科学院理化技术研究所研制了1kW 碟式太阳能行波热声发电系统，利用碟式集热器收集太阳辐射热，通过高温热管换热器将热量传输到行波热声发动机热端，再驱动直线发电机发电在3. 5MPa下，氦气为工质，加热温度为798时， 输出电力255

9、W，初步证实了系统的可行性2011年浙江华仪康迪斯太阳能科技有限公司自主研发的国内首台10kW碟式太阳能聚光发电机系统样机投入试运行， 填补了中国在太阳能聚光发电方面的空白。1-5聚光方式工质温度/聚光比峰值效率/ %规模槽式发电390/ 79410 10020 2830 320 MW塔式发电565/ 1 049300 1 50025 2810 20 MW碟式发电750/ 1 382> 50029. 45 25 kW表 1 三种方式性能的比较Table 1 compare the performance of three ways2 太阳能利用的发展历史人类对太阳能的利用有着悠久的历史，

10、早在古代中国人们就学会了用太阳来晒海盐，用多面镜子来聚光干燥农副产品，这就是太阳能的热学简单应用。随着近代能源的紧缺，作为一种可再生能源，人们对太阳能的利用走上了科技化、高效化的研究道路。太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。是太阳能除了热源之外，在其他方向的首次应用，堪称是太阳能利用史上的一次革命性的创新。从1615年到20世纪初，人们也创造出多种以太阳能为动力的的

11、发达机，大多数是以蒸汽机为原理，造价昂贵，效率低下实际使用价值不高。  在20世纪，太阳能的发展终于走上多元化道路。 首先随着科技的发展，人们对以前的太阳能热动机做出了突破，使之更加具有实际使用价值，聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，极大的增加了输出功率，虽然造价仍然很高，但实用 目的比较明确。建造的典型装置有：1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，1902 1908年，在美国建造的五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵每个长62.5m，宽4m，总采

12、光面积达1250平方米。  然后在二战期间，因为战争的破坏和战争需求，石油和煤炭的使用被人们所热衷，而太阳能的研究被搁浅。二战结束后，一些有识之士对石油和煤炭的储存量和对环境的污染问题表示担忧，发出了开发可持续、无污染的新型能源的呼吁，太阳能以其可以无限使用的优势被人们所青睐，再次掀起了太阳能的研究的热潮，太阳能的研究工作在这一阶段取得了非常大的进展，其中比较突出的研究贡献有：1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集

13、热器的发展创造了条件。此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。 太阳能科技的发展总是和石油之

14、类的常规能源挂钩，尽管太阳能拥有几乎可以无限制再生这样的优势，但是高昂的投资，科研问题的高难度，难以便捷携带等问题还是让这方面的研究不可避免的落入低谷。而转机就在1973年10月爆发中东战争，在这次战争中，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。这让很多西方人认识到了能源或者说石油带来的危机，让他们不得不深思，仅仅依靠石油这种从其他国家进口且不可再生的能源来发展实不可取的，这种单一能源结构是脆弱的，更甚至说是可能会成为给一个国家带来毁灭的因素。发达国家立即提出了，改变现有能源结构，向多

15、元的高科技、可持续发展能源过度的能源战略方针。太阳能和其他可持续发展的能演从新被提上了研究的议程。这可以说是太阳能科技发展的一次新生，人们终于从本质上认可了太阳能在未来能源结构中的重要地位，世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。这是太阳能发展上的“黄金时代”，许多大型的科研成果都来自于这个时期，其中比较突出的贡献有：如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、 光解水制氢、太阳能热发电等。 更加重要的是太阳能终于开始在民用中开始普及，从此太阳能，在农村推广应用太阳灶 ，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用，至此太阳能发展终于走上了科研使用收回投资的良

16、性循环,。 由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了里约热内卢环境与发展宣言， 21世纪议程和联合国气候变化框架公约等一系列重要文件，这是太阳能利用科技的另一个高速发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展。 综上所述，太阳能科技在近代的发展道路是崎岖的，和煤炭石油等传统能源相比

17、，太阳能的利用需要更加的科技化，需要更多的时间来发展，对其取舍的反复性也较高，尽管如此在未来的能源结构中，太阳能仍是有着不可或缺的地位，21世纪的太阳能发展事业值得我们期待。1图 1 太阳能高塔电站全景Fig.1 Solar power tower panoramic view3 太阳能利用的现状50年代第一块实用的硅太阳电池的问世,揭开了光电技术的序幕, 也揭开了人类利用太阳能的新篇章。世界光伏组件生产最近10年的平均年增长率为22%, 最近5年的年平均增长率为35%,2005年已达到近800MW。可以看出, 世界光伏产业呈快速发展势态,成为世界发展最快的新兴产

18、业之一。 在光伏产业方面,各国一直通过扩大规模、提高自动化程度,改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。在研究开发方面,单晶硅电池效率达到24.7%,多晶硅电池效率19.8%,非晶硅电池实验室稳定效率已突破15%,碲化镉电池效率达到16.4%,铜铟硒电池效率18.8%。晶硅薄膜电池的研究自1987年以来发展迅速,成为世界关注的新热点。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统,有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置, 主要用于无电网的边远地区和人口分散地区,整个系

19、统造价很高；在有公共电网的地区,光伏发电系统与电网连接并网运行,省去蓄电池,不仅可以大幅度降低造价,而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。目前,太阳能光伏发电的研究重点在开发高效率、低成本新型太阳能电池方面。主要包括非晶硅太阳能电池和微晶硅迭层薄膜电池的实验型研究。  (a) 非晶硅太阳能电池  非晶硅是一种很好的太阳能电池材料,成熟的非晶硅太阳电池具有较高的稳定性,效率已达到8%。随着非晶硅太阳电池转化效率的提高及生产成本的降低,柔性衬底非晶硅太阳电池,已经应用于一些实际领域。由于柔性衬底的非晶硅电池具有高比功率,轻便,柔韧性强等优点,所以

20、在光伏建筑一体化,特别是在城市遥感用平流层气球平台,军用微小卫星,空间航天器等应用中极具优势。在目前的卫星系统中电源系统的重量占整星重量的近三分之一,而柔性衬底的非晶硅电池可达到2000W/ke的功率/重量比,远远高于晶硅的比功率,因此,使用柔性衬底的非晶硅电池可大大降低电源系统的重量。在民用方面,由于柔性衬底的非晶硅电池具有极好的柔韧性,可卷曲性,这使它不但易于贮存和运输,而且为电池的安装,特别是与建筑物及供电系统的一体化设计方面提供了方便的条件,具有广阔的应用前景。但目前非晶硅电池仍然存在一些问题,主要集中在以下两个方面:(1)转化效率低；(2)电池稳定性不高。 要提高转化效率,

21、就需要改进并探索窗口材料及其它各层材料,如:纳米硅复合薄膜。此外还可采取有效方法减少 i 层缺陷,改善 各层间的能隙匹配, 改善各种界面接触,这些都有可能提高转化效率。而稳定性 不高的问题, 则主要是由于光致衰退而引起,即 S- W 效率,近年来投人了大量的 精力来研究光致衰退的问题, 光衰退随着 i 层厚度的增大而增大,这是因为在 i 层产生的光生载流子复合因内建电场强度的减小而增大,对 i 层内建电场分布 的计算

22、,可看出随 i 层厚度的减小,最低电场强度增大, 因此, 解决稳定性不高的问题则主要集中在 i 层材料性能的改善上, 而解决这些问题的一个较好的途径就是制备叠层太阳能电池, 叠层太阳电池是使用对应于不同太阳光谱部分的不同光伏材料膜层来制作的。一般顶电池的 i 层做的较薄,从而阻止光致衰退的 产生,而底电池产生的光生栽流子约为单结电池的一半,从而也减小了底电池的光致衰退。 (b)晶硅叠层薄膜电池 晶体硅薄膜电池之所以得到普遍的重视是由于它将晶体硅电池工艺优点和薄膜电池

23、的优势有机的结合起来,从单结叠层电池到多结叠层电池,电池的稳定转化效率会明显增加。但晶体硅薄膜电池存在着一个问题:与其它薄膜电池材料不同,硅是非直接半导体, 为了最大限度地吸收和转换太阳光谱, 通常需要较厚的活性层。 这样就需要薄膜电池工艺采取有效的限光措施以弥补硅片厚度减薄后所造成的光谱损失和快速的沉积技术。 因此, 只有薄膜电池衬底成本和薄膜沉积技术成本低于晶体硅成本时,它才能在经济上是可行的, 衬底和沉积技术的经济型研究也因而成为目前薄膜电池研究的重点。3图 2 全球能源构成变化的预测Fig.1 The forecast of

24、global energy constitution changes4 太阳能利用的前景随着可持续发展战略在世界范围内的实施,太阳能的开发利用将被推到新的 高度。至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再 生洁净能源特别是太阳能的开发利用。随着越来越多的国家和有识之士的重视, 太阳能的利用技术也有望在短期内获得较大进展。 4.1 提高太阳能热利用效率有望获得突破  目前, 世界范围内许多国家都在进行新型高效集热器的研制, 一些特殊材 料也开始应用于太阳能的储热,利用相变材料

25、储存热能就是其中之一。相变贮能 就是利用太阳能或低峰谷电能加热相变物质,使其吸收能量发生相变(如从固态 变为液态),把太阳能贮存起来。 在没有太阳的时间里,又从液态回复到固态,并释放出热能,相变贮能是针对物质的潜热贮存提出来的,对于温度波动小的采暖循环过程,相变贮能非常高效。而开发更为高效的相变材料将会成为未来提高太阳能热利用效率研究的重要课题。 4.2 太阳能建筑将得到普及  太阳能建筑集成已成为国际新的技术领域,将有无限广阔的前景。太阳能建 筑不仅要求有高性能的太阳能部件,同时要求高效的功能材料和专用部件。如隔

26、 热材料、透光材料、储能材料、智能窗(变色玻璃)、透明隔热材料等,这些都是 未来技术开发的内容。  4.3 新型太阳能电池开发技术可望获得重大突破  光伏技术的发展, 近期将以高效晶体硅电池为主, 然后逐步过渡到薄膜太 阳能电池和各种新型太阳能光电池的发展。 薄膜太阳能电池以及各种新硅太阳能 电池具有生产材料廉价、 生产成本低等特点,随着研发投人的加大,必将促使其中 一、二种获得突破,正如专家断言,只要有一、二种新型电池取得突破,就会使光 电池局

27、面得到极大的改善。        4.4 太阳能光电制氢产业将得到大力发展  随着光电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展,使得太阳能制氢成 为氢能产业的最佳选择。氢能具有重量轻、热值高、爆发力强、品质纯净、贮存 便捷等许多优点。随着太阳能制氢技术的发展,用氢能取代碳氢化台物能源将是 本世纪的一个重要发展趋势。  4.5 空间太阳能电站显示出良好的发展前景  随着人类航天技术以及微波输电技术的进一步发展

28、, 空间太阳能电站的设 想可望得到实现。由于空间太阳能电站不受天气、气候条件的制约,其发展显示出美好的前景,是人类大规模利用太阳能的另一条有效途径。35 结论由于化石能源的储量有限, 难以维持人类的可持续发展;同时化石能源的利用产生的大量有毒有害物质,将导致环境污染、 温室效应, 严重危害地表环境。人类发展到现在, 越来越多的国家都逐渐清醒地认识到, 要在有限资源和环保严格要求的双重制约下实现经济和社会可持续发展的关键,就在于寻求清洁环保的可再生能源。因此,太阳能、 风能、 生物质能、 地热能等可再生洁净能源的大规模利用就显得尤为重要, 这其中又以太阳能利用的优势最为明显,

29、它具有以下几个特点:储量的 无限性 相对于常规能源和其它可再生能源的有限性,太阳能具有储量的 无限性,取之不尽,用之不竭。 存在的普遍性 相对于其它能源来说, 太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。 利用的清净性和经济性 太阳能的开发利用几乎不产生任何污染;同时由于其储量无限,利用技术代价不高,具有良好的经济性。太阳能也必将由此在世界能源的未来结构转换中担纲重任, 成为理想的替代能源。但是,太阳能也存在单位能量强度不高、 分布不均、 转化利用效率较低等问题,这就要求我们太阳能工作者积极探索, 研究出更为科学的集能方式和设备, 加快太阳能技术的开发和推广应用。随着化石能源的减少, 太阳能利用的比例将大幅度提高。参考文献：1  沈辉 , 曾祖勤 .&